О чистоте п/п материалов

Чистым называется вещество, в котором содержится один посторонний атом на 10³ собственных (концентрация примесей 0,1% , или 1 на 1000).

С химической точки зрения – “изумительно” чистое вещество с концентрацией примесей - 0,001% (1 на 100000)

Число атомов в кристалле 10²³

Но это значит что в веществе в см³ ~ 10¹⁷ сторонних атомов

Пусть примесь способна отдавать электроны, тогда в “изумительно” чистом (химически) Ge (0.001%) “примесных” будет в 4000 больше чем собственных.

В Si “примесных” электронов будет в 10⁷ больше. чем собственных.

п/п	InSb	Ge	Si	InP	GaAs	GaP	SiC
	антимонид индия	германий	кремний	фосфид индия	арсенид галлия	фосфид галлия	карбид кремния
Eg, эВ	0,17	0,72	1,1	1,3	1,4	2,3	2,4-3,2
ni, см^-3	1,3 10^16	2,4 10^13	1,1 10^10	5,5 10^7	1,4 10^7	0,8	0, 1-2 10^-8 (1400^оС)

(Т ~300 К)

Рис.3.2. Зависимость концентрации собственных носителей от температуры для наиболее распространенных полупроводников - кремния, германия, арсенида и фосфида галмя.

При изменении ширины запрещенной зоны в диапазоне от 0,7 эВ для германия до 2,3 эВ для фосфида галлия собственная концентрация n_i при комнатной температуре изменяется от значения 10¹³ см^-3 до 10¹ см^-3.

Примесные полупроводники

Большинство полупроводниковых приборов изготовляют на осно­ве примесных полупроводников.

Кристаллы полупроводников неизбежно в реальных условиях обладают определенным количеством посторонней примеси, даже если требуется получить материал очень высокой степени чистоты.

Примеси также специально вводятся во время роста кристаллов с целью получить полупроводник с заданными электрическими свойствами, при изготовлении приборных структур. Такие полупроводники называются легированными или примесными.

Примеси могут быть донорного и акцепторного типа.

ДОНОР - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости.

АКЦЕПТОР - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии.

Рис.3.3. Донорная 5-и валентная (As, Sb) и акцепторная 3-х валентная (In, B) примеси

При небольшой концентрации примесей (~1 на 10 ⁶ ) их атомы расположены в полупроводнике на таких больших расстояниях друг от друга, что не взаимодействуют между собой.

Вероятность непосредст­венного перехода электронов от одного примесного атома к дру­гому ничтожно мала, т. е. с точки зрения зонной теории не происходит расщепления примесных уровней.

Атомы примеси, отличаясь от атомов основного кристалла валентностью, создают уровни разрешенных энергий электронов в запрещенной зоне, которые либо могут поставлять электроны в зону проводимости, либо принимать на себя электроны из валентной зоны

Рис.3.4 Зонные диаграммы примесных полупроводников

Доноры и акцепторы имеют энергетические уровни в запрещенной зоне собственного п/п.

Энергиия ионизации донора минимальная энер­гия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне, чтобы перевести его в зону проводимости.

Энергия ионизации акцептора — это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень.

Энергия ионизации примесных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных атомов полупроводника или ши­рины запрещенной зоны. Поэтому в примесных полупроводниках при низких температурах преобладают носители заряда, возник­шие из-за ионизации примесей.

Если электропроводность полу­проводника обусловлена электронами, его называют полупро­водником n-типа, если электропроводность обусловлена дыр­ками — полупроводником р-типа.

Основные и неосновные носители

Основные носители в п/п n - типа – электроны, неосновные – дырки.

Основные носители в п/п р- типа – дырки, неосновные – электроны

Температурная зависимость концентрации носителей п/п.

Рассмотрим температурную зависимость концентрации электронов в п/п “n”типа.(рис.3.5)

Рис.3.5 Температурная зависимость концентрации носителей п/п (кремний)

Три области:

1- средняя энергия фононов мала в сравнении с энергией ионизации,- лишь часть доноров ионизирована (область примесной проводимости).

2- средняя энергия фононов соизмерима с энергией ионизации примесей, но меньше ширины запрещенной зоны- все доноры ионизированы, а концентрация собственных электронов мала (область примесного истощения).

Число свободных электронов- const ,и их концентрация равна концентрации доноров, те в 1,2 преобладают примесные основные носители.

3 - средняя энергия фононов увеличивается настолько что концентрация собственных носителей становиться больше концентрации доноров (область собственной проводимости).

П/п приборы могут нормально функционировать только в температурном диапазоне 2, когда концентрация основных носителей практически не зависит от температуры и равна концентрации примесей.

Поэтому область 2 определяет максимальную и минимальную рабочие температуры приборов.

Процессы переноса заряда в полупроводниках

Процесс переноса зарядов может наблюдаться в полупроводниках при наличии электронов в зоне проводимости

Перенос носителей зарядов может происходить либо под действием электрического поля (Дрейф), либо из-за неравномерности концентрации носителей заряда (Диффузия),

Дрейф носителей заряда

Дрейф - направленное движение носителей заряда под действием элект­рического поля.

Электроны получая ускорение в эл. поле, приобретают на длине свободного пробега 10-8 – 10^-4 эВ. и переходят на более высокие э.у. При очередном соударении электрон отдает энергию решетке (фонону) и возвращается на один из низко лежащих энергетических уровня. Так можно представить процесс электропроводности.

*) длиной свободного пробега носителей заряда, определяется как среднее расстояние, проходимое носителем между двумя последователь­ными актами рассеяния.

Длина свободного пробега (l_ср), среднее время свободного пробега (t_ср) и средняя скорость теплового хаотического движения (V_тср), связаны соотношением

l_ср = V_тср t_ср 

[V_тср ~ 10⁵ м/сек]